| 【発明の名称】 |
鋳鉄製歯車及びその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】山川 修司
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| 【目的】 |
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| 【構成】 |
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【特許請求の範囲】
【請求項１】 球状黒鉛鋳鉄を含む鋳鉄材からなり、歯の表面に、歯形に沿った高周波焼入れ層が形成され、該焼入れ層の基地組織は実質的にフェライトを含まない組織であることを特徴とする鋳鉄製歯車。
【請求項２】 前記基地組織が球状黒鉛鋳鉄のソルバイト組織である請求項１記載の鋳鉄製歯車。
【請求項３】 前記高周波焼入れ層の厚みが０．３ｍｍないし０．６ｍｍである請求項１及び２記載の鋳鉄製歯車。
【請求項４】 球状黒鉛鋳鉄を含む鋳鉄材からなる歯車を製造するに際し、歯車素材に焼入れ、焼戻し処理を施した後、歯切り加工を行い、次いで歯面に高周波焼入れ処理を施すことを特徴とする鋳鉄製歯車の製造方法。
【請求項５】 エンジンのタイミングギヤに適用される鋳鉄製歯車において、前記歯車が球状黒鉛鋳鉄を含む鋳鉄材からなり、歯の表面に、歯形に沿った高周波焼入れ層が形成され、該焼入れ層の基地組織は実質的にフェライトを含まない組織であることを特徴とする鋳鉄製歯車。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンのタイミングギヤ等に適用される鋳鉄製歯車、特に球状黒鉛鋳鉄製歯車及びその製造方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】自動車用エンジン等の高速エンジンのタイミングギヤは、高負荷、高回転で使用され、また歯車の噛み合い時の片当りが生じ易い等、厳しい条件下で使用されるため、通常、炭素鋼及び合金鋼の表面に窒化、軟窒化あるいは、浸炭焼入等の表面硬化処理を施した歯車が使用されている。
【０００３】しかしながら、近年エンジンの低騒音化がとみに要求されるようになり、これに対応するタイミングギヤとして、振動、騒音の減衰特性の大きい、つまりヤング率Ｅの小さい鋳鉄製歯車（鋼材のヤング率Ｅ＝２１０００ｋｇｆ／ｍｍ2 程度に対し鋳鉄はＥ＝１７０００ｋｇｆ／ｍｍ2 程度）が提案されてきている。
【０００４】かかる鋳鉄製歯車としては、その強度面や硬さから、球状黒鉛鋳鉄（いわゆるダクタイル鋳鉄、以下このように呼称する）が好適である。然るに、このダクタイル鋳鉄材で以て表面硬化を施した鋼製歯車に匹敵する強度を得るための手段の１つとして、ダクタイル鋳鉄素材からその歯切り成形した歯車の歯形に高周波焼入れを施す手段が提供されている。
【０００５】この高周波焼入れについては、通常の焼入れ手法による場合は歯形全体が硬化してしまい靱性が著しく低下するため、鋼材における高周波焼入れ技術をダクタイル鋳鉄材に適用し、歯形の表面に沿った焼入れを施す手法が提案されつつある。
【０００６】この技術においてはダクタイル鋳鉄（例えばＪＩＳ．ＦＣＤ７００）素材から歯切加工した歯車に歯形の表面に沿った高周波焼入れを施しているが、歯面に沿った焼入れであることから高周波加熱の時間が１秒以下と非常に短いため、黒鉛周りの、フェライトが高周波焼入れ後にも残存し、所望の硬さが得られないという問題点があった。
【０００７】本発明の目的は、ダクタイル鋳鉄製歯車において、歯形の歯面に沿った高周波焼入れを施すにあたり、焼入れ後におけるフェライトの残存を阻止し、振動、騒音の減衰機能が大きく、かつ充分な硬さを有してタイミングギヤ等の高負荷、高回転歯車として好適な歯車を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解決するもので、その要旨とする第１の手段は、球状黒鉛鋳鉄を含む鋳鉄材からなる歯車であって、歯の表面に、歯形に沿った高周波焼入れ層が形成され、該焼入れ層の基地組織は実質的にフェライトを含まない組織であることを特徴とする。
【０００９】また前記第１の手段において、前記基地組織が球状黒鉛鋳鉄のソルバイト組織であること、及び前記高周波焼入れ層の厚みを０．３ｍｍないし０．６ｍｍに構成することも本発明の２つの形態である。
【００１０】さらに、本発明方法は、上記構成を備えた鋳鉄製歯車を製造するに際し、歯車素材に焼入れ、焼戻し処理を施した後、歯切り加工を行い、次いで歯面に高周波焼入れ処理を施すことにある。
【００１１】本発明に係る鋳鉄製歯車及びその製造方法は上記のように構成されているので、高周波焼入れの前の歯車素材に通常の焼入れを施し、フェライトを消失させ、次いで、焼戻し処理により靱性を回復させた後に高周波焼入れを施すため、焼入れ層の基地組織はフェライトを含まず、歯形には表面に沿った充分な硬さを有する高周波焼入層が形成される。
【００１２】これにより、高負荷、高回転歯車として充分な振動、騒音の減衰機能と強度とを備えた歯車が得られる。
【００１３】また、上記本発明方法によれば、歯車素材に通常の焼入れ焼戻し処理を施す工程を高周波焼入れの前に加えるという、極めて簡単な作業工程を附加するのみであるので、実質的な製造工程のコストアップを最小限に抑制して、上記のような、振動、騒音の減衰効果が大きくかつ高強度の鋳鉄性歯車を得ることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下図１〜図５を参照して本発明の実施形態につき詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１５】図５には本発明の実施形態に係る球状黒鉛鋳鉄（以下ダクタイル鋳鉄という）製歯車が適用されるエンジンのタイミングギヤ装置の１例が示されており、図において１０はクランクケース、１１はクランク軸に固定されたクランクギヤ、１２はカムギヤ、１３はオイルポンプ駆動用のオイルポンプギヤ、１４はアイドラギヤ、１５は燃料噴射ポンプ駆動用の噴射ポンプギヤ、１６はパワステポンプギヤである。
【００１６】上記タイミングギヤに使用されるダクタイル鋳鉄製歯車は、その金属組成はＪＩＳ．ＦＣＤ７００材相当であり、特記すべき附加成分は無いが、従来のこの種歯車に対して熱処理及び表面硬化処理の内容及び過程が異なる。
【００１７】図１には、かかるダクタイル鋳鉄製歯車の製造プロセスが示されている。図１において、ベース素材１には上記のようにＪＩＳ．ＦＣＤ７００に相当するダクタイル鋳鉄からなる鋳造素材が用いられる。
【００１８】上記ＦＣＤ７００材の基地組織はパーライト＋若干のフェライト組織であって、変態温度域以上の温度に加熱されると変態を起こす。この変態による基地組織の改良については、加熱温度や冷却方法によって生成される組織が異なる。
【００１９】次に焼入れ（Ｑ）、焼戻し（Ｔ）工程２においては、上記ダクタイル鋳鉄素材をＡ1 変態点以上の８００〜９００℃程度に加熱後急冷する焼入れ処理を施し、続いてＡ1 変態点未満の温度に加熱後徐冷する焼戻し処理を施す。
【００２０】上記焼入れ、焼戻し処理は、通常なされている手法による。この焼入れ、焼戻し処理により基地組織がソルバイト組織となる。
【００２１】次に、機械仕上げ工程３においては、上記焼入れ、焼戻しの調質処理を施された素材に施削及び歯切り加工を施し、歯形を形成する。さらに歯形表面のシェービング仕上げを行い、歯形を高精度に仕上げる。
【００２２】次いで、高周波焼入れ工程４においては、規定寸法に仕上げられた歯車の歯形に通常の手法により高周波焼入れを施す。
【００２３】前記のように高周波焼入時の加熱時間は非常に短く、このため従来の手法による場合は高周波焼入れ後にもフェライトが残存していたが、この実施形態のものにあっては、前記のように素材に焼入れ、焼戻し処理を施して基地をソルバイト組織としたので、高周波焼入れ後にフェライトが残存することは皆無となる。
【００２４】前記高周波焼入れの焼入れ条件は次のように設定する。高周波焼入れを施された歯車の歯形１の焼入れパターンを図２に示す。図２から明らかなように、高周波焼入れ後の硬化層２は歯先部４が深く、歯元部５が浅くなる。
【００２５】然るに歯形１の曲げ疲労は歯先部４で最大となるので、該部の曲げ疲労強度を上げるため、Ｈｖ≧５００を有する有効硬化層深さＨを大きくすることが要求される。
【００２６】しかしながら、高周波焼入れの加熱時間を長く採って歯元部５の硬化層深さ、Ｈを大きくし、これを０．７ｍｍ以上に採ると上記のように歯元部５よりも硬化深さが大きくなる歯先部４においては、ピッチ円部よりも歯先側が全て硬化層となり、所要の靱性が保持できなくなる。
【００２７】一方、上記硬化層深さＨが０．２ｍｍ以下であると、硬化層が薄く所要の疲労強度が得られない。従って高周波焼入れ後の硬化層深さＨ＝０．３ｍｍ〜０．６ｍｍが、歯形１における曲げ疲労強度及び上記のような硬度分布特性を勘案して最も適切な値であり、高周波焼入れ条件、特に加熱時間は焼入れ硬化層の深さがこの範囲になるように設定する。
【００２８】以上の工程を経たダクタイル鋳鉄製高周波焼入れ歯車は、歯形１の表面に沿った硬化層の硬さＨｖ５００〜７００、深さ０．３ｍｍ〜０．６ｍｍを得ることができる。尚、以上の説明はモジュール３以下の歯車を例にとって説明したものである。
【００２９】尚、以上の手順を経た高周波焼入れ歯車を、必要に応じ研削、ショットピーニング等の最終仕上工程５を経て成品とする。
【００３０】
【実施例】次の要目を有する、ＪＩＳ．ＦＣＤ７００ダクタイル鋳鉄製歯車に、前記の過程で、焼入れ、焼戻し→機械加工（施削、歯切り、シェービング）→高周波焼入れの処理を行い、エンジンのタイミングギヤに適用して、次の（１）、（２）に示すような実験を行った。
【００３１】（１）実験用ダクタイル鋳鉄製はすば歯車の要目歯形：並歯モジュール：２．０歯数 ：６３圧力角 ：２０°ねじれ角 ：１９．５°【００３２】（２）騒音計測試験エンジン台上で、アイドル回転数における騒音を計測した結果を図３に示す。図３に明らかなように、本発明の実施製品であるＦＣＤ７００材高周波焼入れ歯車は、従来のＳ５８Ｃ材軟窒化歯車に比べ、１．１ｄＢの騒音低減効果が得られた。これは、前記のように鋳鉄材は鋼材に較べてヤング率Ｅが小さいことから、噛み合い衝撃力が小さく、減衰特性が優れることによる。
【００３３】（３）曲げ疲労試験歯形１に正弦波の片振り繰り返し曲げ荷重を与え、歯元部５の曲げ疲労限度を測定して得た疲労限度線図を図４に示す。図４より供試ダクタイル鋳鉄製歯車の曲げ疲労限度は１０ＫＮ程度で、実用上充分な値である。
【００３４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、歯車素材に通常の焼入れ、焼戻しを施す工程を高周波焼入れの前に加えるという、きわめて簡単な作業工程を附加するのみであるので、実質的な製造工程のコストアップを最小限に抑制して、振動、騒音の減衰効果が大きく、かつ充分な曲げ疲労強度を有する鋳鉄製歯車を得ることができる。
【００３５】また、請求項３の発明のように高周波焼入れ層の深さを設定すれば、歯先から歯元の歯形全体に亘ってむらなく表面効果がなされ、安定した品質の歯車が得られる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２８６
【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成７年（１９９５）８月３０日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 昌久 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開平９−６８２６１ |
| 【公開日】 |
平成９年（１９９７）３月１１日 |
| 【出願番号】 |
特願平７−２４５４１０ |
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